第1章 单片机概述 1.1 单片机的概念 1.2 单片机的发展概况 1.3 MCS-51系列 1.4 AT89系列单片机 第1章 单片机概述 1.1 单片机的概念 1.2 单片机的发展概况 1.3 MCS-51系列 1.4 AT89系列单片机 1.5 单片机的应用

1．什么叫单片机 它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口等制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。 单片机是单片微型计算机的简称。 单片机主要应用于控制领域，它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又称为微控制器（Micro Controller Unit）。在国际上，“微控制器”的叫法更通用些，在我国比较习惯“单片机”这一名称。 由于单片机在应用时通常是被控系统的核心并融入其中，即以嵌入的方式工作，为了强调其“嵌入”的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器。

2．单片机的发展 单片机出现的历史并不长，它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步，经历了4个阶段： 第一阶段（1971～1974年）：1971年11月美国Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并且配有随机存取存储器RAM、只读存储器ROM和移位寄存器等芯片，构成第一台MCS-4微型计算机。1972年4月Intel公司又研制成功了处理能力较强的8位微处理器——Intel 8008。这些微处理器虽说还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。 第二阶段（1974～1978年）：初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列单片机内集成有8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。

第三阶段（1978～1983年）：在这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器。片内RAM、ROM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。这类单片机的应用领域极其广泛，这个系列的各类产品仍然是目前国内外产品的主流。其中MCS-51系列产品，以其优良的性能价格比，成为我国广大科技人员的首选。 第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机；另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同的用户需要。

3. MCS-51系列 单片机的应用特性 （1）集成度高 MCS-51系列单片机代表产品为8051，8051内部包含4KB的ROM、128B的RAM、四个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能强大的中央处理器。 （2）系统结构简单 MCS-51系列单片机芯片内部采用模块化结构，增加或更换一个模块就能获得指令系统和引脚兼容的新产品。另一方面，MCS-51系列单片机具有64KB的外部程序存储器寻址能力和64KB的外部RAM和I/O口寻址能力。Intel公司标准的I/O接口电路和存储器电路都可以直接连到MCS-51系列单片机上以扩展系统功能，应用非常灵活。

（3）可靠性高 单片机产品和其他产品一样，出厂指标有军用品、工业品和商用品之分。其中军用品要求绝对可靠，在任何恶劣的环境下都能可靠工作，主要用于武器系统、航空器等方面。单片机属于工业品，能在常温下工作，不需要在温度恒定的机房内工作。由于单片机总线大多在芯片内部不易受干扰，而且单片机应用系统体积小，易于屏蔽，所以单片机的可靠性较高。 （4）处理功能强，速度快 MCS-51系列单片机指令系统中具有加、减、乘、除指令，各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作功能。CPU时钟频率高达12MHz，单字节乘法和除法仅需要4μs，而且具有特殊的多机通信功能，可作为多机系统中的子系统。

单片机的制造工艺 制造单片机的工艺只有两种：HMOS工艺和CHMOS工艺。 早期的MCS-51系列芯片都采用HMOS工艺，即高密度、短沟道MOS工艺。8051、8751、8031、8951等产品均属于HMOS工艺制造的产品。 CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合，除保持了HMOS工艺的高密度、高速度之外，还具有CMOS工艺低功耗的特点。例如HMOS工艺制造的8051芯片的功耗为630mW，而用CHMOS工艺制造的80C51芯片的功耗为120mW，这么低的功耗用一粒钮扣电池就可以工作。单片机型号中包含有“C”的产品就是指它的制造工艺是CHMOS工艺。 例如80C51，就是指用CHMOS工艺制造的8051。

MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。具体说，按其内部资源配置的不同，MCS-51可分为两个子系列和四种类型，见表1.1。   子系列 片内ROM形式 片内ROM容量 片内RAM容量 定时器/计数器 中断源 无 ROM EPROM E2PROM MCS-51子系列 8031 8051 8751 8951 4KB 128B 2×16 5 MCS-52子系列 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 3×16 6  

MCS-51子系列包含4个产品，这4个产品具有不同的应用特性。 8051：单片机8051内部包含了4KB的ROM、128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/计数器以及一个处理功能很强的中央处理器，是一台完整的微型计算机 8751：是以4KB的EPROM代替4KB ROM的8051。 8951：是以4KB的E2PROM（或Flash ROM）代替4KB ROM的8051。 8031：是内部无ROM的8051。单片机8031不构成完整计算机，必须外接EPROM作为程序存储器。 52子系列也包含4个产品，分别是51子系列的增强型。由于资源数量的增加，芯片的功能有所增强。片内ROM容量从4KB增加到8KB；RAM容量从128B增加到256B；定时器数目从2个增加到3个；中断源从5个增加到6个等。

80C51单片机系列 80C51单片机系列是在MCS-51系列的基础上发展起来的。 最早推出80C51系列芯片的是Intel公司，并且作为MCS-51系列的一部分，按原MCS-51系列芯片的规则命名，例如80C51、80C31、87C51等（至于89C51，我们把它归入89系列单片机，将在下一节介绍）。 后来越来越多的公司生产80C51芯片，而且型号的命名已面目全非，功能上也做了不同程度的改进，如增加了A/D转换、高速I/O口等。有些还在总线结构上做了重大改进，出现了廉价的非总线型单片机芯片。但是万变不离其宗： CHMOS工艺芯片80C51/80C31/87C51/89C51的基本特征是低功耗、允许的电源电压波动范围较大（为5V±20%），并有三种功耗控制方式（增加了待机和掉电保护两种方式）。 习惯上，我们仍然把80C51系列作为MCS-51的子系列。

AT89系列单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。 这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，而其他方面和MCS-51没有太大的区别。该系列有着十分广泛的用途，特别是在便携式、省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。

AT89系列单片机的特点 （1）内含有Flash存储器 由于片内含有Flash存储器，因此在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改。同时，在系统工作过程中，能有效地保存数据信息，即使外界电源损坏也不影响信息的保存。 （2）和AT80C51插座兼容 AT89系列单片机的引脚和MCS-51系列单片机的引脚是一样的。只要用相同引脚的AT89系列单片机就可以取代MCS-51系列单片机。 （3）静态时钟方式 AT89系列单片机采用静态时钟方式，节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

AT89系列单片机的概况 AT89系列单片机共有7种型号，分别为AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52、AT89C2051、AT89C1051、AT89S8252。 其中AT89LV51、AT89LV52分别是AT89C51、AT89C52的低电压产品。最低电压可以低至2.7V。而AT89C2051、AT89C1051则是低档型的低电压产品。它们只有20条引脚，最低电压也为2.7V，见表1.2。

表1.2 AT89系列单片机概况 型 号 AT89C51 AT89C52 AT89C1051 AT89C2051 AT89S8252 Flash（KB） 4 8 1 2 片内RAM（B） 128 256 64 I/O（条） 32 15 定时器（个） 3 中断源（个） 6 9 串行接口（个） M加密/级 片内振荡器 有 EEPROM（KB） 无

5.单片机的应用 由于单片机具有可靠性高、体积小、价格低、易于产品化等特点，因而在智能仪器仪表、实时工业控制、智能终端、通信设备、导航系统、家用电器等自控领域获得广泛应用。例如： （1）智能仪器仪表 用单片机改造原有的测量、控制仪表，能促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展，如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等难题迎刃而解。 （2）实时工业测控系统 用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应系统、数据采集系统等。如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制等。

（3）机电一体化产品 单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化。例如电传打字机的设计中由于采用了单片机，取代了近千个机械部件。 （4）家用电器 全自动洗衣机、智能冰箱、各类小家电都无一例外地采用了单片机。

单片机的应用特点： （1）控制系统在线应用 控制系统在线应用由于控制对象和单片机联系密切，所以对设计者提出了很高的要求。他们不但要熟练掌握单片机，还要了解控制对象，懂得传感技术，具有一定的控制理论知识等。 （2）软硬件结合 单片机应用系统的设计需要软、硬件统筹考虑。设计者不但要熟练掌握汇编语言的编程技术，而且还必须精通单片机硬件系统和指令系统。

（3）应用现场环境恶劣 应用现场的环境一般是比较恶劣的。电磁干扰、电源波动、高低温等因素都会影响系统工作的稳定。设计者必须根据特定的环境采取正确的办法才能解决。 （4）微控制技术 由于单片机具有高可靠性、超小型、低价格、容易产品化等特点，因而在需要嵌入式的控制系统里得到了广泛的应用，而且过去必须由模拟和数字电路来实现的大部分功能，现在可以通过软件（编程序）方法实现了。这种超小型的以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术的发展必将带动产品的升级换代及产业升级。

习 题 1. 什么叫单片机？除了“单片机”之外，单片机还可以称为什么？ 2. 单片机主要使用汇编语言，而编写汇编语言程序要求设计人员除了熟练掌握指令系统外，还必须精通什么？ 3. 8051、8751、8031单片机的主要区别是什么？ 4. 与8051比较，80C51的最大特点是什么？ 5. AT89系列单片机的最大优点是什么？ 6. 单片机发展方向是什么？